陶瓷基復合材料（CMC）指在陶瓷基體中引入增強材料，形成以引入的增強材料為分散相，以陶瓷基體為連續相的復合材料，通常由增強纖維、界面層和陶瓷基體三部分組成，具有耐高溫、熱導率低、強度高、耐化學腐蝕等特點。

根據研究機構Research And Markets的報告，全球陶瓷基復合材料市場預計將從2021年的113.5億美元增長到2022年的122.6億美元，復合年增長率為8.05%。預計該市場將在2026年增長到171.5億美元，復合年增長率為8.75%。

CMC材料的構成與特性

● 陶瓷基體：陶瓷基體是復合材料重要的組成部分，其主要成分和結構對材料綜合性能具有重要影響。

● 增強纖維：纖維作為復合材料的主要承力部分，對材料的性能具有決定性作用，其影響因素包括：纖維型號、纖維的體積含量以及纖維的編織方法等。而連續纖維增強CMC材料主要包括碳纖維增強碳化硅（C/SiC）和碳化硅纖維增強碳化硅（SiC/SiC）兩種。

● 界面層：界面層是處于增強纖維和基體之間的一個局部微小區域，雖然其在復合材料中所占體積不到10%，卻是影響陶瓷基復合材料力學性能、抗環境侵蝕能力等性能的關鍵因素，主要包括PyrolyticCarbon（熱解碳）界面層、BN（氮化硼）界面層和復合界面層。

陶瓷具有耐高溫、低密度、高比強、高比模等特性；增強纖維具有連續性、高強度、高彈性等特點，可有效提高陶瓷基體的韌性和可靠性。由連續纖維補強的陶瓷基體復合材料，形成類似“鋼筋+混凝土”的結構。連續的陶瓷纖維根據需要，可編織成二維或三維的“鋼筋”骨架（纖維預制體），和骨架周圍緊密填充的陶瓷基體材料“水泥”共同構成“混凝土”，形成“1+1>2”的效果，使其具備高比模、耐高溫、抗燒蝕、抗粒子沖蝕、抗氧化和低密度的優勢。

CMC材料的生產與制備

① SiC碳化硅纖維生產工藝

SiC纖維是制備CMC的關鍵材料。SiC纖維位于SiC/SiC陶瓷基復合材料的上游，是整個產業鏈至關重要的一環。由于SiC纖維有著其它纖維無可替代的作用，發達國家紛紛投入大量資金致力于此類陶瓷纖維的研制與開發。目前世界上僅日本和美國能批量供應通用級和商品級的SiC纖維，已實現產業化產能達百噸級的僅有日本碳素公司和日本宇部興產株式會社。

國內實現量產的第二代碳化硅纖維（寧波眾興新材料科技有限公司）

目前制備連續SiC纖維的方法主要有：先驅體轉化法、化學氣相沉積法（CVD）、活性碳纖維轉化法（CVR）等。其中，化學氣相沉積法已逐漸被淘汰，先驅體轉化法是目前比較成熟且已實現工業化生產的方法，也是SiC纖維制備研究的主流方向，其工藝路線可分為聚碳硅烷（PCS）合成、熔融紡絲、不熔化處理和高溫燒成四大工序。首先由二甲基二氯硅烷脫氯聚合為聚二甲基硅烷，再經過高溫（450～500℃）熱分解、重排、縮聚轉化為聚碳硅烷；在250～350℃下，聚碳硅烷在多孔紡絲機上熔紡成連續聚碳硅烷纖維，再經過空氣中約200℃的氧化交聯得到不熔化聚碳硅烷纖維，最后在高純氮氣保護下1000℃以上裂解得到SiC纖維。

根據纖維組成、結構及性能的發展變化過程，先驅體法制備的SiC纖維可分為三代，第一代為高氧碳SiC纖維，第二代為低氧高碳含量SiC纖維，第三代為近化學比SiC纖維。其中，第一、二代SiC纖維基本是低密度、高碳含量、無定形纖維，第三代為高密度、近化學計量比、多晶SiC纖維。

② CMC制備工藝

目前有三種CMC主流制備工藝，包括化學氣相滲透法（CVI）、聚合物浸漬裂解工藝（PIP）和熔體浸滲工藝（RMI）。

CMC材料制備工藝

③ 加工工藝

由于SiC/SiC陶瓷基復合材料的硬度大，特別是材料由基體、纖維等多部分構成，具有明顯的各向異性，加工后SiC/SiC陶瓷基復合材料的表面形貌、尺寸精度和位置精度等對構件的安全性、可靠性和使用壽命等都有重要影響，已成為制約SiC/SiC陶瓷基復合材料構件工程化應用的主要瓶頸之一。

SiC/SiC陶瓷基復合材料的加工主要包括切邊、鉆孔、三維成型和微槽成型等內容。加工工藝主要包括機械加工、水射流加工、激光加工3類。

● 機械加工：依靠高硬度金剛石等刀具磨削，加工尺寸易于控制，加工表面質量高，刀具磨損嚴重，難以進行小尺寸結構的精加工。

● 水射流加工：依靠高壓水射流中的超硬磨粒高速沖擊實現陶瓷基復合材料構件的加工，無熱影響，易引起崩邊等結構缺陷及損傷，分辨率大于0.5mm，多適用于粗加工。

● 激光加工：利用極高能量密度激光束照射到復合材料表面，光能在極小的照射面積上轉化為高密度的熱能，進而使加工表面局部溫度急劇升高，導致材料熔化甚至氣化，熔化物借助氣化蒸氣迅噴射出來實現蝕除。其非接觸性不存在工具磨損問題，因此加工一致性較好。但激光加工表面熱影響區偏大，產生的微裂紋會在材料使用的應力循環過程中產生緩慢擴展，成為影響材料及構件的安全性和穩定性的隱患。

CMC材料在我國的發展

在國內，碳化硅纖維已突破各項關鍵技術，但生產規模與批次間穩定性仍需提高。制備工藝方面，國內已經突破了碳化硅纖維制備的各項關鍵技術，綜合性能達到或接近國外同類產品。工程化生產方面，國內已實現第一代碳化硅纖維工程化生產，初步實現第二代碳化硅纖維工程化生產。

審核編輯 ：李倩